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煤显微组分在煤层气资源预测中的研究

2023-12-28 来源:易榕旅网
《云南煤炭》2Ol2年第3期 煤显微组分在煤层气资源预测中的研究 云南煤层气资源勘查开发有限公司何小广 摘 要:煤即可作为煤层气的生烃母质, 多而不一,从简单的镜质组、壳质组和惰质组 也可作为其储集层,煤中显微组分直接决定了 煤层气中气体成分即其相对含量,同时也影响 到煤生烃的阶段性,这都很大程度上决定了煤 层最终的生烃能力;同时煤中显微组分的类型 和相对含量对煤的裂隙和对煤层气的吸附强 弱有很大的影响,并且也会导致煤层气中伴生 气体有害的气体成分,影响煤层气的工业利 用。因此,基于煤岩学的煤的显微组分的研究 对于煤层气的勘探、开发和利用具有极其重要 的意义。本文将主要从煤岩学的研究内容入 手,探究煤的主要显微组分特征及其生烃差异 和煤显微组分对产烃能力的影响,为煤层气的 资源预测提供基本的理论指导。 关键词:煤岩显微组分成烃特性镜质 组反射率 1引言 煤在形成的过程中由于受到不同的温度、 压力、(生物)化学作用等的影响而使成煤的原 始母质(植物或低等微生物1发生不同的程度 的演变,有的被不同程度保留着原始母质原始 形态的痕迹,有的则演化成新的组分。加之煤 化作用的过程往往比较漫长,所以我们看到的 煤的显微组分只是煤在漫长演化过程中的短 暂形态,煤的显微组分也异常复杂。划分类型 划分,再到显微组分种的细分可多达几十种。 各种煤岩显微组分很大程度上直接影响到煤 的工业利用,煤的生烃类型及多少,及其产烃 能力,同时不同的煤岩显微组分往往辅助恢复 原始的成煤环境,煤化作用过程和特殊的地质 事件。因此,煤岩学研究就显得尤其重要。我 国含煤盆地达400多个,煤炭资源量超过 55000亿吨,其中埋深在1000m以上的煤炭资 源量>53%,是煤成烃勘探的重要领域【”。在 “十二五”中已将煤层气作为重要勘探对象,在 找气的过程中,就更应该做好煤岩显微组分的 基础研究。 2煤成烃的物质基础 地质体中的有机物来源于各种生物有机 质,为化石燃料提供母源有机质的生物,主要 是各种细菌、真菌、浮游生物和高等植物。尽 管它们的种类与生活环境各异,但其细胞中的 原生质都主要是由C、H、O、N等少数几种元 素组成。根据化学结构,可将不同来源的有机 质分为五类:(1)蛋白质;(2)糖类(碳水化合 物);(3)脂类化合物;(4)木质素;(5)核酸、色素 及少量其它有机化合物。蛋白质和脂类化合物 贫O富H,而木质素和碳水化合物相对富0 贫H(见表2~1),它们共同构成煤和成烃的组 基本的物质基础。 51 煤显微组分在煤层气资源预测中的研究 表2—1各种有机质的化学组成(wt%) 有机质 C O H 蛋白质 51 22 7 脂类化合物 69 18 10 碳水化合物 44 49 6 木质素 53 27 5 石油 79—89 9—.15 泥炭 50—65 28—25 6—7 煤 65—91 2—28 4..6 在这些物质的基础上,由于受到不同地质因 表2—2国际硬煤显微组分分类 素,如温度、压力、化学活动性流性、生物化学等 显徽组分组 显微组分 显徽弧组分 显徽组分种 的影响,形成了煤中多样的显微组分。不同的显 科达树结构镜质体 结构镜质体一1 真菌结构镜质体 微组分在不同的煤演化过程中,可以存在不同的 结构镜质体 结构镜质体2 木质结构镜质体 一鳞木结构镜质体 演化阶段,从而对应不同特性的显微组分。同时, 镜质组 封印木结构镜质体 也阶段性的伴生了CO:、H20、CH4、重烃等挥发分 均质镜质体 无结构 团块镜质体 气体,如果遇到了有效的储藏和盖层条件,使烃 镜质体 胶质镜质体 类(主要是甲烷)得以聚集就会形成有工业价值的 基质镜质体 镜瞒体 煤层气。 薄壁孢予体 孢予体 厚壁孢子体 2.1煤的显微组成 小孢予体 国际煤岩学委员会(CICP)的硬煤显微组分分 大孢子体 角质体 类是国际上广泛应用的分类,颁布于1957年,其 树脂体 皮拉藻类体 后又进行了补充,其显微组分术语已被国际标准 轮奇藻类体 壳质组 木栓质体 4 ̄(IS0,1974年)在煤岩分析中采用,具有广 藻类体 结构藻类体 层状藻类体 泛性。主要适用于烟煤和无烟煤。国际硬煤显微 荧光体 组分分类将所有显微组分大的分为三个组:镜质 沥青质体 渗出沥青体 组、壳质组和惰质组,见表2—2。 壳屑体 半丝质体 丝质体 火焚丝质体 氧化丝质体 粗粒体 情质组 徽粒体 密丝组织体 蒴类体 真菌菌类体 团块蘸类体 假团块菌类体 惰屑体 2.1.1镜质组 一般认为镜质组是在气流闭塞、积水较深的 沼泽环境下形成的。镜质组主要起源于高等植物 茎干、根和叶的木质组织及薄壁组织细胞壁的木 52 《云南煤炭 ̄2o12年第3期 质素和纤维素,部分来自渗入细胞壁和充填细胞 可见,丝质体成因可能是多种多样的。上述两种 腔的丹宁、蛋白质、类脂物质(包括细菌的),真菌、 作用也可能交替发生,除完全丝炭化的物质不可 真菌的代谢产物也参与了镜质组的形成。镜质组 能再进行凝胶化外,处于丝碳化过程中的中间产 具弱荧光性或不具荧光性。各种不同的镜质组组 物都可以再凝胶化;处于凝胶化任何阶段的产物 分的荧光色和荧光强度不同,其中以基质镜质体 也都可再进行丝炭化,半丝质体、微粒体和无结 的荧光性较为明显。荧光色多呈红橙色到红褐 构丝质体等就是这样形成的。惰质组的碳含量 色。镜质组的荧光色取决于煤级和沥青化程度, 高,氧含量和氢含量低,芳构化程度高。由于惰质 在镜质组反射率0.8%一1.1%的烟煤中,荧光强度 组是在缺水多氧的环境中经氧t匕形成,所以惰质 最大。在各显微组分组中,镜质体的氧含量最高, 氢含量和挥发分高于惰质组而低于壳质组。镜质 组的特性对煤的用途影响很大,焦化时,中煤化 烟煤镜质组易熔,具粘结性;加氢液化时,镜质组 的转化率较高。镜质组是天然气的主要来源之 一。由于镜煤质具有矿物质含量很低,在煤化过 程中变化比较均匀等优点,可以通过测定镜质组 的最大反射率来鉴定煤的变质程度。 2.1.2壳质组 壳质组起源于高等植物中孢粉外壳、角质 层、木栓层等较稳定的器官、组织、树脂、精油等 植物代谢物。以及藻类、微生物降解物。植物的类 脂物及蛋白质、纤维素和其它碳水化合物是壳质 组典型的物源。壳质组有明显的荧光效应,荧光 强度比同一种煤或岩石中的镜质组要强,其荧光 特征既是区分某些壳质体的主要依据,又是鉴定 煤级和源岩成熟度的主要标志。在镜质组反射率 RO,max1.3%~1.5%的煤和岩石中,壳质组大多已 不发荧光。 2.1.3惰质组 惰质组亦称丝碳化成分,石油丝碳化作用形 成的,有时又称丝质组。丝质组的成因比较复杂。 E.斯塔赫等认为丝质组成因大致分为两类:一类 是森林失火而形成的,作为显微组分称为“火焚 丝质体”;另一类是因植物木质部受到真菌的腐 化分解作用而形成的。此外,也有人认为,某些丝 质体细胞壁的颜色是植物中原有的。因某些高等 植物在代谢过程中能沉淀黑色素,反射率接近于 丝质体,建议把这类丝质体称为“原有丝质体”。 组的含量较多时也间接说明了煤成气的前景会 较差。 2.2煤显微组分成烃特性 镜质组的结构碳骨架主要是带有羟基和羧 基官能团的芳香核组成的芳香结构,含氢量低, 含氧量高,反射率介于壳质组和惰质组之间,热 演化过程中一般只能生成气体。惰质组碳含量和 芳构化度高,氢含量低,反射率高于镜质组和壳 质组。热演化过程中一般只能生成少量气体,同 时惰质组是在缺水多氧的环境中经氧化形成,所 以,惰质组的含量较多时也间接说明了煤成气的 前景会较差。壳质组是富合脂族成分f正链烷烃 等)和高氢含量的物质,具高挥发分和低反反射 率,在热演化过程中是生油母质,也能生气。图2— 1所示的是碳含量85—95%、R01.0—3.0%,即大约 从气煤、肥煤到无烟煤范围内的生气情7)Lt2 ̄。从该 图中可以看出三种煤岩显微组分组的生烃特性: ①各微成分生成CO:和CH 的量随煤级增加分 别呈增高和降低趋势,但变化范围有别;②壳质 组在碳含量低于85%的低级别烟煤阶段就有较 多的CH4生成,而镜质组从气肥煤fCr85%±)、情质 组从焦煤(cr87%±)开始才生成CH4;③中级别烟 煤开始到无烟煤阶段的镜质组和惰质组CH 的 生成量迅速增加,壳质组相对平稳且从无烟煤开始 CH 生成量还略有下降。同样的,在澳大利亚昆士 兰所属的煤层气田中侏罗纪因捷尼河组煤系地层 中煤层气进行开采时也有类似的发现,在成气早 期,镜质组高的煤层中煤层气含量高,并且壳质组 这一特征比镜质组和隋质组都要明显囹。 53 煤显微组分在煤层气资源预测中的研究 4 3 CH。 CH. / Clt. / —、\\囊 墨2 / 、、 s日I 餐 嘏 、、 f 、 . 擎 、| ’CO, / 、一 ~一 ~、~ 、 { 、.. CO, 0 / / \G0, 、 、 90 C '‘ 95 85 / 、 / 9O C % 95 85 90 C % 95 85 图2—1 随着煤化程度增加,不同微成分中放出的气体量 气体量是按微成分元素分析计算的(据Juntgen and Karweil,1966) 三大显微组分组还可以细分成不同的显微 3煤层气的吸附与解析 组分、显微亚组分和显微组分种,它们在煤化过 煤体中注入瓦斯的过程也是一个渗流一扩 程中的生烃特性差异更显著,可以体现在生气的 散过程。煤层气分子不能立即同时与所有的孔 量、生烃能力、不同组分生烃类型上及生烃的阶 隙、裂隙表面接触,在煤体中形成了煤层气压力 段性等方面。如在热演化过程中,有机显微组分 梯度和浓度梯度。由煤层气压力梯度引起渗流, 脂肪烃结构主要转变成液态烃,含氧官能团一般 这种过程在大的裂隙、孔隙系统(面割理和端割 转变成气态烃,而其芳烃结构一般最终转变成 理)内占优势;煤层气分子在其浓度梯度的作用下 “死碳”,无任何油气潜力[41。从生烃角度分析[51,树 由高浓度向低浓度扩散,这种过程在小孔与微孔 脂体和角质体比荧光镜质体更富氢,它们生烃潜 系统内占优势。煤层气体在向煤体深部进行渗流 力好于荧光镜质体。 一扩散运移的同时,与接触到的煤体孔隙、裂隙 2-3煤中其它组分与煤层气的关系 表面发生吸附和脱附。因此,就整个过程来说,是 Paul c.Hackley通过对美国路易斯安那州南 渗流一扩散、吸附一脱附的综合过程。 部的四个煤层气测试井测定表明,水分与实测的 由于煤层本身对烃类的吸附能力较大,不是 煤层气含气量成负相关,这可能与水进入煤层空 所有煤层都有实际产液态烃的能力。T.G.鲍威尔 隙从而相对使煤层气的储层空间减小有关[61。但 据澳大利亚的情况认为(1984),陆相有机物质若 腐 我们同时也应看到煤层中水分对煤层气富集所 要成为烃源岩,其富氢组分必须达到9%一20%(起到的积极意义,如果含水层或煤层从露头接受 泥类组分)或20%一3O%(过渡型有机组分)。每克有 补给,地下水顺层由浅部向深部运动,则煤层中 机碳可抽提的液态烃产率需大于30毫克才能具 向上扩散的气体将被封堵,致使煤层气聚集,从 有实际排烃的能力。可见,正确判识和鉴别煤及 而形成水控煤层气藏[71。并且在适当盼温度和压 源岩分散有机质富氢微成分的含量对正确评价 力作用下,水及其含有的有机质微粒也会溶解和 其产烃潜能是具有重要意义的[81。 吸附一部分煤层气。 54 另外,煤的吸附性还随煤的变质程度的不同 《云南煤炭}2012年第3期 而变化,国外学者 ̄ee认为煤的气体吸附能力随 的另一个重要参数即孔隙度,它与煤的变质作用 着煤阶的变化呈现两种趋势:①吸附力随煤阶的 也有着密切的关系。一般,从低等级一中等级一 增加而增大;②“u”形变化,即吸附量在高挥发分 高等级煤级,煤的孔隙度会成高一低一高的趋势 烟煤A阶段附近存在一个最小值I9J。 变化,其中,由于分子排列规则化导致高煤阶的 煤对不同的气体具有吸附和差异性,有学者 烟煤孔隙度有所升高。同时Ro也可以反映煤系 通过模拟实验煤中分子对CO:和CH 在煤中吸 地层物质的生烃过程,也可以作为评价煤质及煤 附和扩散过程,发现CH 比CO 扩散要稍快,在 的工业加工性能的指标。由此可见煤岩学中Ro 给定温度下煤层对C0 的吸收要比CH 明显I删。 的测定对于煤层气的评价和勘探开发具有重要 这对今后煤层气的开采具有很重要的指示意义。 的意义。 4镜质组反射率的应用 表4—1 Ro与煤阶关系表 镜质组反射率(R0)测定是煤岩学研究中最为 镜质组反射率(%) 煤阶 常用的实验方法之一,通过Ro的测定,可以反映 <0.5 褐煤 煤的变质程度。而煤的变质程度义是影响煤生气 0.5—0.65 气煤 和吸附煤层气的一个重要影响因素(见表4—2l】 q。 0.9—1.2 肥煤 通过相近煤阶煤的吸附能力和多种显微煤岩组 1.2—1.7 焦煤 分的比较表明,与任何一种有机组分相比,煤的 1.7—1.9 瘦煤 变质程度对煤层气的吸附起着更加决定性的作 1.9—2.5 贫煤 用[121。随着煤的变质程度的增加,煤的镜质组反射 2.5—4.0 3号无烟煤 率也相应增加(见表4—1)。所以,通过测定R0就 4.0—6.0 2号无烟煤 可以推测煤的变质程度。作为评价煤层气含气量 6.0—6.45 l号无烟煤 表4—2不同煤类的产气量和吸附能力 煤阶 生气量m /T 吸附能力m。/T 褐煤 38—68 <8 长焰煤 l38—168 8—9 气煤 182—212 9一l1 肥煤 199—.230 1 1—14 焦煤 240——270 28—20 瘦煤 257——287 14一l8 贫煤 295—.330 20~24 无烟煤 346—442 24—36 5结论 有重要的指导意义,尤其是在我国煤变质程度幅 通过煤的煤岩学研究可以充分说明煤的物 度比较大,变质程度比较高,构造后期改造复杂, 质组分(尤其是显微组分1及煤的变质程度对煤层 与国外大多以低、中煤阶为主要煤层气勘探对象 气的生成具有很大的影响,因此通过煤岩学研 不同,在没有很好的前人研究参照的情况下,更 究,理清煤的物质组成的演化机理及变质类型和 应该从煤岩等基础工作入手,试图突破我国煤层 程度,对煤层气资源潜力评价和勘探开发更是具 气勘探的瓶颈。 55 煤显微组分在煤层气资源预测中的研究 参考文献 【l2】M.Faiz,A.Sagh .The influence of petro logical properties and burial history on coal seam methane reservoir characterisation,Sydney Basin, 【1】刘德汉,张惠之,戴金星等,煤岩显微组分 的成烃实验研究与评价[J】_科学通报,2000,346— 352. 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Ltd,Yunnan province Qujing city,655000) Abstract:The coal is the bio.precursors of [4]李荣两,金奎励,李秉新.煤岩组分化学结 构随热演化变化与生烃性研究[J].2004,煤层气, CBM,but also as its reservoir.Macerals of coal di一 54—57 rectly determine the gas composition in coalbed hane,and also affect the stage of coal hydrocar- [5】Mafia Mastalerz,R.Marc Bustin.Variation metin the chemistry of macerals in coals of the Mist bon generation,which largely determines the final Mountain Formation,Elk Valley coalifeld,British hydrocarbon generation of seam.The type and the Columbia,Canada[J】.International Journal of Coal relative content of the coal have great influence on Geology,1 996,33(1997)43--59. adsorption strength of the coal fracture or coaibed s,and can lead to harmful gas asSOCiated [6]Paul C.Hackley,Peter D.Warwick.Organic maceralpetrology and coalbed gas content,Wilcox Group in coal bed methane,impact the industialr utiliza- (Paleocene--Eocene).northern Louisiana.Interna-tion of coalbed methane.Therefore,reaserchs on tional[J].Journal of Coal Geology,7 1(2007),54—7 1. coal macerals based。on coal petrology has great significance for the exploration,development and u— tilization of coalbed methane.This paper will start from the research content of coal petrology to ex- [7】高洪烈.论煤层气与地下水.中国煤田地质 [M],1 998,45—48. 【8]孟召平,田永东,李富国.煤层气开发地质 学理论与方法【M】.科学出版社,2010. plore the impact of hydrocarbon production eapaci—- y 0n main maceral characteristics of coal,hydro- B.Gas sorp— t【9]Yee D,Seidl E J P,Hanson W bon generation differences of coal and macerals. tion-on coal and measurement of gas content.Hy— carovide basic theoretical guidance for the drocarbons from Coal[J].AAPG Studies in Geology, Then pr1993,38(5):203-218. 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